生物質熱裂解反應器流化質量的影響因素

李三平等

摘要 [目的]研究在流化過程中顆粒粒徑、生物質顆粒和熱載體顆粒的配比等參數對流化質量的影響，為進一步實現反應器的優化設計及數值模擬作鋪墊。[方法]在內膽式雙熱型生物質熱裂解反應器中，通過流態化實驗，研究不同的生物質粒徑、生物質顆粒和熱載體顆粒的不同配比等參數對顆粒流化質量的影響規律。[結果]對于同種顆粒，隨著粒徑的增加，臨界流化速度增大，床層壓降隨著氣速的增加也逐漸增大；對于粒徑相同的不同種類顆粒，臨界流化速度隨顆粒堆積密度的增加而增大；隨著生物質顆粒與熱載體顆粒混合比的增加，臨界流化速度幾乎都降低。[結論]選取生物質顆粒和熱載體顆粒的配比為2∶3時，流化質量相對較好。

關鍵詞：熱裂解反應器；流化質量；顆粒粒徑

中圖分類號：S216；O643.38 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2015）08-013-04

生物質熱裂解反應器是生物質熱裂解制取生物油系統在運行過程中最重要的部分。只有通過反應器，才能實現生物質顆粒的閃速升溫和氣相的快速析出。對于反應器的選擇和設計是生物質熱裂解制油試驗研究的關鍵環節[1]。考慮到在設計熱裂解反應器時，流化風速、載氣流量及反應物料進入反應器的高度等參數不能完全確定，而且在流化過程中生物質粒徑、生物質顆粒和熱載體顆粒的配比、物料堆積高度、分布板開孔率的大小以及流化氣進氣方式等參數對流化質量的影響較大。因此，筆者主要通過流態化試驗，研究在流化過程中顆粒粒徑、生物質顆粒和熱載體顆粒的配比及物料堆積高度等參數對流化質量的影響，為進一步實現反應器的優化設計、數值模擬作鋪墊。

1 材料與方法

1.1 試驗系統的設計 試驗系統如圖1所示，主要由空氣壓縮機、轉子流量計、有機玻璃管反應器、分布板、U型管壓差計、橡膠軟管和塑料軟管組成。為了便于觀察實驗參數的確定，將不銹鋼制熱裂解反應器用有機玻璃反應器代替，反應器的尺寸為內徑0.22 m，床高1.45 m[2]。該試驗系統的條件為常溫差壓。設備經檢查安裝好，開動氣泵，調節流量計，流量逐漸增大，通過U形壓力計讀取壓降，測定在不同條件下床層的壓降和流化速度的關系。

1.2 試驗參數及方法的選取

1.2.1 顆粒種類及粒徑的選取。

選取玉米秸稈粉（下文簡稱秸稈粉）、紅松木粉、糠、稻殼4種生物質顆粒和河沙、石英砂2種熱載體顆粒，粒徑范圍均選取三組，具體如下：

①秸稈粉粒徑，第1組0～0.20 mm，第2組0.20～0.45 mm，第3組0.45～0.60 mm；

②紅松木粉粒徑，第1組0～0.20 mm，第2組0.20～0.45 mm，第3組0.45～0.60 mm；

③糠粒徑，第1組0.20～0.45 mm，第2組0.45～0.60 mm，第3組0.60～1.10 mm；

④稻殼粒徑，第1組0.20～0.45 mm，第2組0.45～0.60 mm，第3組0.60～1.10 mm；

⑤河沙粒徑，第1組0～0.20 mm，第2組0.20～0.45 mm，第3組0.45～0.60 mm；

⑥石英砂粒徑，第1組0.20～0.45 mm，第2組0.45～0.60 mm，第3組0.60～1.10 mm。

1.2.2 研究方法。

選用降速法，測量顆粒的臨界流化速度，即先把流化風速升高至使顆粒達到完全流化狀態，而且還有一定的速度裕度[3]。繼續增大風速，當有微小顆粒飛出反應器時，即達到最大進氣量；然后開始逐漸降低風速，減小壓縮機閥門開度，讀取各狀態下的流量計讀數。

1.3 臨界流化速度的確定

1.3.1 理論模型的建立。

假定反應器內部的顆粒均為相同直徑的球形顆粒，且忽略顆粒之間的范德華力、靜電力等的影響。考慮到當各顆粒之間的距離比顆粒直徑大幾個數量級或更多大時，在反應器內部每個顆粒均可認為是單一的懸浮顆粒，其懸浮條件滿足式（1）。

1.3.2 試驗參數的計算。

試驗時采用空氣壓縮機，用轉子流量計測定流量，則根據有機玻璃管的直徑，可由式（6）求得玻璃管中的流化速度。

ut=QπD24×3 600（6）

式中，ut為試驗測得流化風速，m/s；Q為轉子流量計測得的流化風流量，m3/h；D為玻璃管的直徑，mm。

試驗采用常溫20 ℃的空氣作為流化氣體，其基本參數為μf=1.824×10-5Pa·s，ρf=1.205 kg/m3。

2 結果與分析

2.1 流化速度理論值與試驗值的對比 通過經驗公式（3）、（4）、（5），計算得到的流化速度結果和試驗結果。由表1可知，4種生物質顆粒和2種熱載體顆粒的流化速度試驗值均隨粒徑的增大而增大，理論計算值除玉米秸稈粉外，也隨粒徑的增大而增大。

對于玉米秸稈粉顆粒，公式（4）和（5）計算值非常接近。在同一流體中，粒徑大的顆粒受的氣流阻力較大，因此與公式（3）的計算值相差較大。對于粒徑小于0.5 mm時，式（4）和（5）的計算值和實驗值較接近，而對于粒徑大于0.5 mm時，3個公式的計算值均和試驗值相差較大。主要是由于秸稈粉顆粒在小粒徑時，形狀較規則，簡化為球形顆粒誤差較小，而當其粒徑較大時，形狀不太規則，簡化為球形模型時產生的誤差較大。對于稻殼顆粒，公式（4）和（5）計算值非常接近，對于粒徑小于0.3 mm，式（4）和（5）的計算值和試驗值較接近，而對于粒徑大于0.3 mm時，公式（3）的計算值和試驗值比較接近。主要是由于稻殼顆粒粒徑較大時，形狀較規則，簡化為球形顆粒誤差較小，而當其粒徑較大時，形狀不太規則，簡化為球形模型時產生的誤差較大。對于紅松木粉和糠公式（3）、（4）和（5）計算值相差不大，而與試驗值相差較大，主要是因為紅松木粉和糠的形狀不規則性隨粒徑的增加而變化的更明顯。對于熱載體顆粒，河沙和石英砂公式（4）和（5）的計算值和試驗值較接近，公式（3）的計算值比試驗值大，不太適合密度較高的顆粒。

2.2 流化質量的影響因素分析

2.2.1 不同入料顆粒粒徑對流化質量的影響。

當粒徑不同時，同種物料顆粒壓差-流速曲線如圖2所示。

從圖2可以看出，當顆粒粒徑不同時，因空隙率的存在，顆粒的堆積密度不同，使得同種物料的起始流化速度存在較大的差異。對于同種物料，隨著粒徑的增加，臨界流化速度增大；床層壓降隨著氣速的增加也逐漸增大，當氣速較小時，小粒徑的物料因堆積密度較小，孔隙率較大，易被流化，在達到臨界流化前，其床層壓降值比大粒徑物料的壓降值大。形狀較規則且接近球形的秸稈粉、紅松木粉、糠和河沙均符合上述規律，而稻殼和石英砂顆粒因其形狀不規則，顆粒的堆積密度并不隨顆粒粒徑的增加而增大，因此小粒徑顆粒流化前的床層壓降并不比大粒徑顆粒的壓降值大。

從圖3可以看出，對于同種粒徑的4種生物質顆粒，臨界流化速度隨著顆粒堆積密度的增加而增大，其中秸稈粉顆粒的臨界流化速度最小，約為0.013 m/s，紅松木粉的臨界流化速度最大，約為0.27 m/s。而床層壓降在流化之前，隨著氣速的增加而逐漸增大，當顆粒達到流態化以后，壓降值只在很小的范圍內波動，幾乎穩定。對于不同顆粒其壓降變化差別較大，并不完全取決于顆粒的堆積密度，其變化與顆粒的性質、形狀等有關。也就是說，床層壓差的高低不能作為衡量流化質量好壞的標準，但可以從壓降的變化情況來判別是否達到流態化。以流態化曲線的拐點為參考，在其之后曲線近似于水平，而在拐點之前屬于固定床段，之后則屬于流化床段[5]。

2.2.2 不同生物質顆粒和熱載體顆粒混合比對流化質量的影響。

在生物質熱裂解過程中需要借助熱載體顆粒來增大加熱速率，因此要考慮生物質和熱載體顆粒混合后的流化效果，來選擇合適的混合比。結合試驗數據，得到當混合物組成相同、配比不同時，其壓差-流速曲線如圖4所示。

從圖4可以看出，隨著混合比的增加，即混合物中生物質顆粒濃度的增大，臨界流化速度幾乎都降低，主要原因是由于生物質顆粒的密度明顯低于熱載體顆粒，其臨界流化速度也明顯低于熱載體顆粒，因而混合物的臨界流化速度會隨著生物質顆粒濃度的增加而降低，壓降也隨著生物質顆粒濃度的增加而降低。有幾個特例，如圖4d中紅松和石英砂混合物，質量比為2∶5時臨界流化速度低于質量比為2∶3時臨界流化速度；圖4e中秸稈和河沙混合物，質量比為2∶3時臨界流化速度最大，壓降也最大；圖4f中秸稈和石英砂混合物，質量比為2∶3時的壓降略高于質量比為2∶5的壓降。分析這幾種特例，產生的主要原因可能有：①試驗過程中，因密封不好可能部分地方存在漏氣，使得測量結果存在誤差；②混合顆粒的形狀差異使得粒徑分布不均勻，出現部分顆粒聚集現象，流化過程中出現死區；③床層內壓降值并不穩定，差壓計讀數存在波動，會引起讀數誤差。結合不同混合比的流化特性曲線可以看出，為了提高流化質量，選取生物質顆粒和熱載體顆粒的配比為2∶3比較合適。

3 結論

通過流態化實驗臺，研究了顆粒粒徑、生物質顆粒和熱載體顆粒混合配比等參數對流化質量的影響。研究表明，對于同種物料，隨著粒徑的增加，臨界流化速度增大；床層壓降隨著氣速的增加也逐漸增大；對于同種粒徑的不同種類顆粒，臨界流化速度隨顆粒堆積密度的增加而增大；隨著混合比的增加，臨界流化速度幾乎都降低，選取生物質顆粒和熱載體顆粒的配比為2∶3時流化質量相對較好。該研究為生物質熱裂解反應器優化設計提供參考依據。

參考文獻

[1] 劉榮厚.生物質快速熱裂解制取生物油技術的研究進展[J].沈陽農業大學學報，2007，38（1）：3-7.

[2] 李三平，王述洋，孫雪，等.新型內膽式雙熱型生物質熱解反應器設計模型[J].林產化學與工業，2014，34（1）：49-56.

[3] 鄒家柱，劉澤華.生物質與惰性顆粒流化特性的實驗研究[J].南華大學學報：自然科學版，2011，25（2）：33-36.

[4] 吳占松，馬潤田，汪展文，等.流態化技術基礎及應用[M].北京：化學工業出版社，2006.

[5] 欒敬德，劉榮厚，武麗娟.生物質快速熱裂解制取生物油的研究[J].農機化研究，2006（12）：206-210.